Круговой процесс. 
Обратимые и необратимые процессы

В курсе механики было введено понятие физической системы (системы тел), для описания которой были использованы законы динамики. Такую систему называют механической системой. Когда кроме законов механики требуется применение законов термодинамики, систему называют термодинамической системой. Необходимость использования этого понятия возникает, если число элементов системы весьма велико и движения отдельных её элементов становятся микроскопическими по сравнению с движением самой системы или ее макроскопических составных частей. При этом термодинамика описывает макроскопические движения (изменения макроскопических состояний) термодинамической системы.

Параметры, описывающие такое движение (изменения) термодинамической системы принято разделять на внешние и внутренние, определяемые положениями элементов системы. Это разделение весьма условно и зависит от конкретной задачи. Так, например, воздушный шар в эластичной оболочке в качестве внешнего параметра имеет давление окружающего воздуха, а шар в жёсткой оболочке в качестве внешнего параметра имеет объём, ограниченный этой оболочкой. В термодинамической системе объём и давление могут изменяться независимо друг от друга. Чтобы найти их связь, необходимо введение третьего параметра — температуры.

В большинстве термодинамических задач трёх параметров достаточно для описания термодинамического движения системы. Это движение можно описать в системе трёх термодинамических координат, связанных с соответствующими термодинамическими параметрами.

Равновесным состоянием — состоянием термодинамического равновесия — называется такое состояния термодинамической системы, в котором отсутствуют всякие потоки (энергии, вещества, импульса и т. д.), а макроскопические параметры системы являются установившимися и не изменяются во времени.

Классическая термодинамика утверждает, что всякая термодинамическая система имеет состояние термодинамического равновесия (нулевое начало), а изолированная система (предоставленная себе самой) стремится к такому состоянию, причём если она его достигает, то самопроизвольно не может из него выйти.

Системы, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия обладают свойствами аддитивности и транзитивности. Сформулируем их:

Если две термодинамические системы, имеющие тепловой контакт, находятся в состоянии термодинамического равновесия, то и совокупная термодинамическая система находится в состоянии термодинамического равновесия.

Если какая-либо термодинамическая система находится в термодинамическом равновесии с двумя другими системами, то и эти две системы находятся в термодинамическом равновесии друг с другом.

Далее, если об этом не будет специально оговорено, мы будем рассматривать термодинамические системы, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Описание систем, находящихся в неравновесном состоянии, то есть в состоянии, когда имеют место макроскопические потоки, занимается неравновесная термодинамика.

Переход из одного термодинамического состояния в другое называется термодинамическим процессом. Ниже, если не будет особо оговорено, мы будем рассматривать квазистатические процессы или, что-то же самое, квазиравновесные процессы. Это процессы, состоящие из непрерывно следующих друг за другом состояний термодинамического равновесия. Реально такой процесс протекать не может, однако если макроскопические изменения в системе происходят достаточно медленно (за промежутки времени, значительно превышающие время релаксации), появляется возможность аппроксимировать реальный процесс квазистатическим (квазиравновесным). Такая аппроксимация позволяет проводить вычисления с достаточно высокой точностью для большого класса практических задач. Предельным случаем квазиравновесного процесса является равновесный процесс, описание которого можно достаточно строго сделать в рамках классической термодинамики. Равновесный процесс является обратимым, т. е. при возвращении к таким значениям параметров, определяющих процесс, которые имели место в предыдущий момент времени, должно получиться предыдущее состояние термодинамической системы.

В дальнейшем модель равновесного термодинамического процесса будет использована для описания квазиравновесных термодинамических процессов. Например, при рассмотрении цикла Карно, мы будет использоваться изотермический процесс, в котором теплообмен происходит при одной и той же температуре нагревателя и теплоносителя. В частности, подобная ситуация наблюдается, если используемый в изотермическом процессе тепловой резервуар очень велик, например мировой океан или атмосфера Земли. Однако, тепловая машина, использующая квазиравновесные процессы, будет работать очень медленно (в пределе — бесконечно медленно), а потому иметь очень малую мощность. Поэтому на практике системы, близкие к равновесным, не реализуются. Тем не менее, равновесная термодинамика может быть применена к реальным системам с достаточно высокой точностью (в этом мы можем убедиться в лабораторном практикуме по физике).

Если в ходе термодинамического процесса система возвращается в исходное состояние, то такой процесс называется круговым или циклом. Круговые процессы, также как и любые другие термодинамические процессы могут быть как равновесными (а, следовательно, обратимыми), так и неравновесными (необратимыми). При обратимом круговом процессе после возвращения термодинамической системы в исходное состояние в окружающих ее телах не возникает никаких термодинамических возмущений, и их состояния остаются равновесными. При необратимом круговом процессе после его завершения окружающие тела приобретают неравновесные состояния. Таким образом, если внешние параметры приобретают в процессе цикла свои исходные значения, в термодинамической системе возможны только равновесные круговые процессы.